牵引光束

光子-内部结构模型图        牵引光束是用一种设备远距离的将一个物体移动一段距离的方法。它通过科幻电视剧集《星舰迷航》而广为人知。1990年代以来，科学家一直试图在技术上实现，但是研究进展非常缓慢，而且还仅仅停留在微观层面，例如用激光束牵引盐粒大小的物体。实现牵引光束的一种方法是利用光子在路径中碰到一个物体时会对物体施加一个力的原理。牵引光束指的是只要光束以一定角度射入，将形成一种逆向牵引力。[1]这种牵引光束能利用激光移动大型物体，比如把火星漫游车拖到飞船轨道。

        澳大利亚国立大学研究人员仅使用光束，使玻璃颗粒在空气中移动了至少5英尺（约1.5米），无论目标尺寸还是移动距离，这都超过了当前“光镊”技术所能实现的上百倍。

       在实际范畴，建立在光辐射压原理上利用光去移动物体并不新鲜，强大的“光镊”已被广泛地应用于操作细胞，甚至是纳米水平的物质。但现在，安德烈·罗德及其同事开发的新系统能运用空心激光束击中目标，再利用空气温差使目标物体移动。^[1]

       据研究人员说，被移动的玻璃制目标物体，个儿头比“光镊”常移动的细菌大上几百倍，他们已使它移动了至少1.5米，这是目前“光镊”所能操控距离的100倍。而1.5米这个数字仅仅是因为受实验台的尺寸限制，罗德相信将目标物体移动30英尺以上（近10米）不成问题。

       研究人员现已可通过改变激光亮度，使该玻璃颗粒移动的速度和方向做出改变。但该系统在操作中需要加热空气或其它气体，因此现阶段还不能在太空中大显身手，令星战迷们唏嘘惋惜。不过它在地球上将用处非凡，如在各种生物研究中代替人手移走有害物质。

        2011年3月，研究人员已将科幻情节转化成为现实，他们最新研制的一种牵引波激光器能够移动物体，未来有望能移动太空飞船。

        通过使用这种叫做“贝塞耳(Bessel)”的特殊激光器，他们称目前能够牵引较小的物体朝向目标。他们将这种效应比作鹅卵石在池塘中激起的涟漪，只要光束以一定角度射入，将形成一种逆向牵引力。

像这样的装置成功研制将是数十年以来一些科幻电影所期望实现的目标。在《星际迷航》中科学家通常使用亚空间或者由两个光束形成的引力干涉，使物体向指定目标位置移动。但仅是科幻电影中的故事情节，其形成原理也无从得知。

         科学家意识到使用贝塞耳激光器产生的一种牵引光束[3]可能实现这项技术突破，贝塞耳激光器拥有的特殊波长模式进行工作。他们发现当目标物体遭受入射光束照射时，将以放射线的形式反弹，形成朝向目标物体的一种“推力”。

          中国香港科学家称，光线的确能够牵引微粒，这将开启光学微控制的一种新途径，该典型实例可向后传送微粒较长距离，并对微粒进行排序分类。之前科学家也进行过类似的尝试，建立一种牵引光束加热目标物体周围的空气，从而使目标物体出现移动。

          另一项尝试实验叫做“光学镊子”——当目标物体陷入激光束范围，并将它移动。通过使用贝塞耳激光器，牵引光束能够产生一种渐进牵引力，而不被中断干扰。

研究人员警告称，目前的研究阶段仅能实现移动小目标物体，未来经过不断升级改造，当该装置足够先进时可移动整个太空飞船穿梭在空中。伦敦帝国理工学院先进计算理论负责人奥特文-赫斯(Ortwin Hess)教授称，这项工作非常“吸引人”，它是具有超前意识的新型装备。

          他时说：“它的工作状态就像一艘船运行在水面上，产生的涡流将是物体向上移动的动力，该区域就像是具有被后曳力牵引。船只具有一定的外形，会在两侧产生向后的涡流，按照这种方式，贝塞耳牵引波束将产生类似的机制。

          近年来，研究人员意识到这种情况出现在许多光学领域，当作用力逆转就成为太空参量。研究小组负责人托马斯-赛马斯博士表示，目前他们首次在实验中证实了生物医学光子和其它领域的应用性。

研究小组成员帕维尔-泽马奈克说：“研究小组花费了多年时间研究光线迁移不同结构的微粒，我对实验结果非常满意，下一步将寻求新的体验和应用。”

          在过去十年里，光学分馏法被视为允许光学操作的最有前景生物医学应用，例如：高分子、细胞器或者细胞。目前，科学家鉴定在某些情况下，物体受“牵引光束”作用力，能够重新组合排列成一定结构，并使牵引光束更加“强大”。

       安德烈·罗德及其同事开发的系统运用空心激光束击中目标，再利用空气温差使目标物体移动。被移动的玻璃制目标物体，比“光镊”常移动的细菌大上几百倍，他们已使它移动了至少1.5米，这是目前（2010年）“光镊”所能操控距离的100倍。而1.5米这个数字仅仅是因为受实验台的尺寸限制，罗德相信将目标物体移动30英尺以上（近10米）不成问题。

      研究人员现已可通过改变激光亮度，使该玻璃颗粒移动的速度和方向做出改变。但该系统在操作中需要加热空气或其它气体。它在地球上将用处非凡，如在各种生物研究中代替人手移走有害物质。

       2012年10月，美国纽约大学两位物理学家最新研制一项技术，使用光束牵引微粒朝向光束源，并声称现已进行了实验证实。纽约大学物理系软质材料研究中心的大卫·格里尔教授和研究生大卫·鲁夫涅尔表示，他们已实现《星际迷航》中的牵引光束技术，但仅能在微米范围内实现。然而，这项技术与实际应用仍有一定的距离，他们最理想的实验效果是操控“激光镊”牵引微粒物体在二维空间中实现微观距离移动。

       2013年1月28日，据国外媒体报道，科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。英国圣安德鲁斯大学和捷克斯洛伐克科学仪器研究所(ISI)的科研组表示，他们制成的激光已经能让漂在水里的小球体移动。改变光的偏振方式，可以改变球体移动的方向。他们还发现，在特定大小时，这些球体在移动期间会自动整整齐齐地排成一行，在光的影响下跳跃前进。这种技术有望促使更加有效的医疗检测方法诞生，例如血样检查

       在《星际迷航》中科学家通常使用亚空间或者由两个光束形成的引力干涉，使物体向指定目标位置移动。科学家意识到使用贝塞耳激光器产生的一种牵引光束可能实现这项技术突破，贝塞耳激光器拥有的特殊波长模式进行工作。 通过贝塞耳（Bessel）特殊激光器，能够牵引较小的物体朝向目标。他们将这种效应比作鹅卵石在池塘中激起的涟漪，只要光束以一定角度射入，将形成一种逆向牵引力。

       当目标物体遭受入射光束照射时，将以放射线的形式反弹，形成朝向目标物体的一种推力，光线的确能够牵引微粒，这将开启光学微控制的一种新途径，该典型实例可向后传送微粒较长距离，并对微粒进行排序分类。之前科学家也进行过类似的尝试，建立一种牵引光束加热目标物体周围的空气，从而使目标物体出现移动。

       美国科学家研究显示，激光汽化宇航服内小型推进器的推进燃料，可使漂泊错误轨道的太空漫步宇航员重返安全地点。

      这一设计理论最初是美国俄亥俄州立大学工程师约翰·辛科于2010年提出的，他提出用这种方法来偏移轨道太空垃圾，在南卡罗来纳州材料、能量及复杂性研究所的克利福德·施莱彻特的协助下，辛科正在设计一款能够挽救在太空中漂离状态宇航员的原型装置。

       航天器携带两种类型推进燃料的推进器，每种代表不同的激光波长。为了点燃推进器，激光束将照射推进器，汽化推进燃料从而形成一股推力，将航天器推动至新的太空轨道，在操控下能以不同方向点燃推进燃料，因此航天器可在控制行驶范围之内。如果这些太空垃圾推进器按比例缩小，并装配在宇航服内，使用管子来通风宇航服排出的燃料物，可使在太空中漂离方向的宇航员恢复正常的路线。

        辛科和施莱彻特计算表明牵引光束是可行的，通过脉动二氧化碳激光至1公斤推进器200秒，预计可使宇航员以每秒1米的速度返向安全位置。在此操作中必须要细心，避免宇航员加速移动，将可能碰撞在航天器上受伤。

       NASA首席研究员Paul Stysley与其队友Demetrios Poulios、Barry Coyle已经在NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）进行了三种模型的实验，包括研究用光束来运输粒子、单分子、病毒、核糖核酸以及全功能细胞。

       该小组将采用三种不同的方法对光传输技术进行研究，来确定最适合手机样本的技术：

       第一种方法叫做光学旋涡或“光镊”，用两束反方向衍射光束产生的环形光波，把粒子限定在重叠光束的暗核心部分。经实验测试显示的结果，通过进行加强或削弱其中之一光束强度的交替，能形成被困粒子周围的空气被加热的效果，粒子就会沿着环中心移动。

       第二种方法是“螺线”光束，它能给粒子一与光源相反方向的力，将粒子沿光束拉回，与第一种方法不同的是，这种技术只需要电磁效应，因此能在真空环境操作。

       第三种方法涉及的是“贝塞尔光束”，即在光束所投射的中心点周围形成环形力量，理论上发射出去的光被电磁场向前方散射，由此可以目标物沿光束运动反方向拉回。